采煤机齿条热处理变形原因与控制措施

袁岳东
（常熟天地煤机装备有限公司）

某短壁采煤机调高齿条如图所示，是一个典型的极容易弯曲变形的轴类零件。该齿条设计精度高，加工难度大，必须对加工基准、齿形加工及热处理工艺进行分析和控制，特别是在齿条渗碳和淬火及冷处理过程中的变形进行分析和控制。由于该材料的淬透性很高，齿条又是单面齿形，变形无法避免。

渗碳淬火后一般用冷校直的方法进行修正，由于是渗碳整体淬火不管是齿条表面还是心部硬度多很高，在校直时容易产生微裂纹甚至发生断裂。同时由于变形大，冷校的效果不理想，采用预留加工余量的方式来修正消除变形量，最终使齿条有效硬化深浅不一，硬度不均匀度加大，残余应力分布不均匀等问题，影响最终的制造精度、降低承载能力和使用寿命，渗碳和淬火过程中产生的变形控制已成为齿条制造过程中的技术关键之一。
1.齿条热处理变形现状
（1）齿条技术要求
材料为18Cr2Ni4WA，长1836mm，直径245mm，模数25，齿数21.5，齿距78.54mm，齿距偏差±0.03mm，精度等级7GK GB/T 10096—1988。齿面渗碳淬火，有效硬化层2.50～3.00mm。淬火硬度56～60HRC，心部硬度35～41HRC。
（2）齿条加工工艺路线
下料→锻造→正火+回火→车→消应力→铣→渗碳+淬火→磨外圆→车→磨平面→精铣（齿形）→钳→检验。
（3）热处理变形状态
该齿条为长轴类非对称齿轮渗碳件。2.0t吉埃斐密封箱式多用炉生产生产线设备，齿面朝上水平3点支撑放置渗碳淬火。在热处理过程中受热应力、组织应力以及附加应力等综合作用的结果，齿条变形很大，并且呈扭曲变形，齿条变形情况：齿条呈齿面方向向上翘曲呈凸面歪曲，歪曲变形量在1.55～7.80mm；小平面侧弯在0.58～1.20mm，呈凹面；齿条长度方向总体缩短，缩短量在0.85～1.80mm；棒间距呈不同程度增大，增大在0.40～0.78mm；轴径呈胀大趋势，胀大在0.35～0.55mm。
2.齿条变形原因
（1）热应力引起的变形
热处理工件变形的变化是由于内应力和外应力综合作用形成的，在加热和冷却过程中工件的各部分温度差异，热胀冷缩不均，内部就产生了内应力。该齿条形状相对复杂（底部及单侧为平面，齿底部到轴中心线很近）、齿部表面积明显大于下平面、又是不对称结构工件，在加热和冷却过程中产生的内应力更大。当应力值超过材料的屈服强度，就要发生塑性畸变，由此发生工件产生翘曲、扭曲等变形。加热温度越高，热应力越大，变形越大；冷却速度越快，变形越大。在热应力占主导时，工件向快冷面齿面凸起歪曲。
（2）组织应力引起的变形
组织应力引起变形是由零件在渗碳、淬火、冷处理过程中由于组织转变所造成组织比容（体积）变化的不一致所造成的，组织改变引起的体积变化可见表1。
马氏体转变时的体积变化将产生不同的相变畸变量，这就可能造成不同的变形量，钢中含碳越高，则转变马氏体时的比体积变化越大，见表2，即膨胀量越大。奥氏体中含碳量越高，变形越大；形成的马氏体量越多，变形越大；残留奥氏体和未溶碳化物越少，变形越大。

表1  钢淬火、回火时的体积变化（计算值）

注：wC表示淬火钢马氏体中的含碳量（质量分数，%）。 

（3）残余应力引起的变形
锻造造成的应力、机械加工（车削 、铣齿）造成的加工应力，如果在热处理前不采取措施预以消除和减少，在渗碳淬火过程中，必将加大齿条热处理变形。
（4）渗碳淬火过程引起的变形
齿条采用航空渗碳材料18Cr2Ni4WA制造。由于含有较多的铬、镍、钨合金元素，抑制了过冷奥氏体向珠光体转变的速度，因而淬透性极大，渗碳淬火后，强度和韧性都极好。该材料在渗碳处理后，表层的碳与合金元素大量溶入到奥氏体中，显著提高了奥氏体的合金度，贝氏体转变曲线大大右移，在空冷条件根据装炉及齿轮尺寸也能转变成含量不同的贝氏体和马氏体，由于工艺的复杂性，该材料制造的齿轮在热处理后变形比较大，这是由于齿轮经过多次加热与冷却，因此变形比较大。渗碳后的渗层的Ms温度点从渗碳前的310℃下降到80～90℃。这种渗层与心部所含碳量差异使淬火时产生心表马氏体转变的倒逆顺序。这种相变顺序有时受到齿轮尺寸、装炉方式条件及冷却条件的影响而改变，所以使齿条在热处理时产生的应力变得相当复杂，齿轮变形程度也变得比较离散。
齿条渗碳淬火冷却时，由于表层高碳的缘故，使的马氏体转变点（Ms）变的很低，而心部马氏体转变点仍然在较高点，一般情况下，在尺寸不大时，冷却速度较大的情况下，心部低碳的奥氏体首先向低碳的贝氏体及马氏体转变，体积增大，而此时，高碳的表层组织从高温的淬火温度到Ms温度点时是以热应力为主的热胀冷缩区，两者之间产生较大的内应力，导致齿条的两对应面产生歪曲应力而变形，变形趋势有齿一面呈凹陷，虽然其后温度降到表面较低的Ms以下时，发生马氏体相变而发生体积增大，但由于心部已形成强度较高的贝氏体及马氏体，阻碍了变形的发展，使变形维持到低温。
然而，事实上，本项目齿条的截面积比较大，又是高淬透性材料，其弯曲变形是齿面呈向上拱起的。在实际冷却过程中，轮齿表面要比心部及齿对面平面首先发生马氏体转变，这是由于齿部冷却明显快于对面平面冷却速度。加上表面积又大，使马氏体转变速度和数量要快和多，马氏体转变引起的体积膨胀量要明显高于对面平面，在热应力、组织应力综合作用下的齿条向有齿的一面向上拱起弯曲。由于内外Ms温度点的差异，此时心部的冷却速度也足以发生马氏体转变，因而心部的体积膨胀使齿轮表面形成残余拉应力状态，这种拉应力更一步加急了齿条变形。再者心部低碳马氏体的体积变化远小于表层先已经形成的高碳马氏，表层高碳马氏体有很高的屈服强度，不足以引起塑性压缩而使变形反向，最后变形仍然保持在齿面拱起变形。
3.减少和控制齿条渗碳淬火变形的措施
（1）机械加工工艺优化
为降低齿条渗碳淬火侧弯的变形，对机械加工工艺进行了优化，齿条侧面小平面在渗碳淬火后再在立式加工中心上进行铣削，通过试验，齿条侧弯控制在0.30～0.50mm，变形量明显改善。
（2）增加中间消应力
钢件在热处理淬火中产生的变形与开裂原因是比较复杂的，由于机械加工应力增大了热处理淬火变形，而使工件尺寸超差产生废品的情况时有发生。工件经机械加工后，其表面层都存在残余应力。有残余应力的零件处于一种不稳定状态。一旦其内部的平衡条件被打破，内应力的分布就会发生变化，从而引起新的变形，特别是几何形状不对称零件在热处理时更易产生翘曲变形。为控制减少热处理变形在齿条铣齿加工后渗碳前增加一道550℃的消应力处理。
（3）优化热处理工艺
低的淬火加热温度，高的冷却介质温度可以有效减少和改善淬火变形量，将齿条淬火温度从790℃±5℃降低到770℃±5℃，淬火冷却介质温度从60℃提高到85℃。
（4）预加应力，约束变形淬火
为控制齿条变形量，利用正反向应力的相互抵消作用，在齿条淬火时，齿面上方中间预加一定压力进行约束变形淬火。根据齿条在高、低温下的热强度计算结合齿条变形数据，在齿条淬火时增加420kg左右的配重压力可以明显减小和控制齿条的翘曲及弯曲量，试验证实，齿条直线度在0.35~0.85mm，符合精加工前变形量要求。
4.结语
控制长轴类非对称齿轮渗碳淬火变形是一个复杂的系统工程，也是热处理工作者的永久课题。
（1）齿条侧平面安排在渗碳淬火后加工能有效控制齿条侧弯变形量。
 （2）增加消应力及调整淬火工艺参数对改善齿条变形有效。
 （3）从试验结果来看，采用预加应力约束变形淬火方法对减小和控制齿条渗碳淬火弯曲变形量是切实可行的。该工艺技术对其他非对称轴杆类零件渗碳淬火变形控制有一定的参考价值。

来源：《金属加工：热加工》2017年 第7期